摘 要：隨著水資源價(jià)格不斷上漲，用以計(jì)量水資源流量的超聲波流量計(jì)(安裝快捷、使用靈活)，在水資源的節(jié)約減排、貿(mào)易結(jié)算等方面起著重要的作用。而且流量計(jì)計(jì)量是否準(zhǔn)確對(duì)于企業(yè)對(duì)水資源的控制、生產(chǎn)問(wèn)題的判斷等方面具有重要意義。但在實(shí)際使用中，由于不少用戶對(duì)超聲波流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)使用要點(diǎn)掌握不夠好，導(dǎo)致測(cè)量效果不太理想，因而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波流量計(jì)產(chǎn)生質(zhì)疑。該文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)的影響因素(計(jì)量精度、磁場(chǎng)因素、管徑測(cè)量、壁厚、前后直管段長(zhǎng)度、內(nèi)襯、管道材質(zhì)、流體溫度)等分別進(jìn)行研究分析。

引言
隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，流量計(jì)對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量保證具有重要的作用，同時(shí)還是電力、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)。尤其是超聲波流量計(jì)的廣泛使用，對(duì)企業(yè)的節(jié)能減排及能源的充分利用，企業(yè)部門(mén)的核算、控制成本均起重要作用。由于超聲波流量計(jì)檢測(cè)主要是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺少對(duì)實(shí)際情況的了解，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)若干問(wèn)題，影響超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確問(wèn)題。

1 對(duì)超聲波流量計(jì)檢測(cè)影響因素
1.1 計(jì)量精度
本文現(xiàn)場(chǎng)采用由德國(guó)弗萊克森生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)(FLEXIM)作為主要檢測(cè)儀器，該儀器配有大、小兩種換能器，分別用于測(cè)量大管徑、小管徑管道，能測(cè)量常用材質(zhì)的管道，管徑范圍從 15mm~3400mm 的管道流量。經(jīng)河南省計(jì)量科學(xué)研究院檢定，符合現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。

1.2 磁場(chǎng)因素

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，會(huì)常出現(xiàn)以下情況，無(wú)論怎么調(diào)整安裝方式或者調(diào)整換能器的位置，均收不到其超聲信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)失敗。這種情況的出現(xiàn)，可能由附近大量高壓電纜過(guò)大磁場(chǎng)造成的，磁場(chǎng)的存在干擾換能器發(fā)出、接收信號(hào)的能力，使得換能器無(wú)法正常運(yùn)行工作。避免檢測(cè)失敗，應(yīng)選擇遠(yuǎn)離這類磁場(chǎng)發(fā)生體的位置，進(jìn)行下一次檢測(cè)[1]。

1.3 直管段長(zhǎng)度
為確保被測(cè)介質(zhì)水流平穩(wěn)能夠滿足儀表精度的要求，流量計(jì)換能器應(yīng)在流量計(jì)上游、下游分別至少有 10倍、5 倍以上管徑的直管段。實(shí)際使用時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、檢測(cè)環(huán)境的影響，時(shí)常滿足不了現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，使得流場(chǎng)不穩(wěn)定。影響檢測(cè)的精度?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用德國(guó)FLEXIM超聲波流量計(jì)分別安裝在被檢流量計(jì)上、下游非標(biāo)準(zhǔn)位置，測(cè)得數(shù)據(jù)，計(jì)算誤差結(jié)果如表 1 所示。 結(jié)果表明：直管段安裝在下游的影響比上游的小，上游至少在 3 倍管徑以上才滿足測(cè)量要求。當(dāng)上游直管段較短時(shí)，即離彎頭，泵、閥門(mén)較近時(shí)，一般常常表現(xiàn)為正誤差。由此造成測(cè)量誤差加大，在現(xiàn)場(chǎng)不滿足安裝要求測(cè)量時(shí)，首先滿足上游安裝要求。

1.4 輸入不準(zhǔn)造成的偏差
流量計(jì)流量是流速與管道流通面積的乘積，輸入這些參數(shù)(管徑、壁厚、內(nèi)襯及材質(zhì)、流體溫度)，計(jì)算出管道面積，在與測(cè)得的流速乘積得出流量。換能器安裝的距離是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)人工輸入流量計(jì)后計(jì)算出來(lái)的。參數(shù)測(cè)量是否準(zhǔn)確直接影響測(cè)量精度[2]。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如下：

1.4.1 輸入管徑誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
在管道固定不變的情況下，依次輸入不同誤差下的管徑與標(biāo)準(zhǔn)值比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。 由表 2 可以得出：流量測(cè)量誤差大約是管徑輸入誤差的 2 倍。這與誤差傳遞理論相一致。
由 Q=V*π*D2/4 得：
dQ=V*π*dD/2 (1)
推出：
σQ=dQ/Q=2dD/D=2σD (2)
其中：Q：流體流量；
D: 管徑；
σQ: 流量誤差；
σD: 管徑誤差。

使用超聲波流量計(jì)在小口徑上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，輸入管道口徑不準(zhǔn)引起的流量測(cè)量誤差同樣不容忽視，如：口徑測(cè)量的絕對(duì)誤差為 1mm 時(shí)，對(duì) DN800 口徑來(lái)說(shuō)，其內(nèi)徑相對(duì)誤差為 0.12%，而對(duì) DN100 口徑來(lái)說(shuō)，其內(nèi)徑相對(duì)誤差為 1.0%，流量是與管道內(nèi)徑的平方成正比，同樣是 1mm 的內(nèi)徑測(cè)量誤差，對(duì) DN800 口徑，流量測(cè)量誤差約 0.3%左右，而對(duì)于 DN100 口徑，流量測(cè)量誤差約3%左右，由此可見(jiàn)超聲波流量計(jì)使用口徑越大測(cè)量越準(zhǔn)確，口徑越小，測(cè)量精度越難把握。所以便攜式超聲波流量計(jì)更適合在大口徑管道的測(cè)量[3]。

1.4.2 壁厚誤差對(duì)流量測(cè)量誤差的影響
在換能器安裝位置不變的情況下，輸入不同壁厚參數(shù)得出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)表相比較。依次選擇在四種不同口徑的管道上測(cè)量，測(cè)得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)表相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。 從表 3 可以看出，隨著管壁厚度輸入增大，測(cè)量結(jié)果誤差就會(huì)變大。所以，輸入管壁參數(shù)的正確與否直接影響流量測(cè)量結(jié)果。因此，現(xiàn)場(chǎng)用實(shí)際測(cè)量的方法獲取管道參數(shù)，常用超聲波厚度儀進(jìn)行確認(rèn)。由于實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境會(huì)和設(shè)計(jì)參數(shù)有一定的出入，管壁厚度在使用一段時(shí)間也會(huì)由于腐蝕等原因發(fā)生變化。

1.4.3 管道材質(zhì)及內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響
輸入的管道材質(zhì)、內(nèi)襯有誤時(shí)，使得換能器安裝距離計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致測(cè)量精度變低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致測(cè)量失敗。實(shí)驗(yàn)證明，輸入管道內(nèi)襯錯(cuò)誤，直接造成實(shí)際管徑的變化。安裝管道內(nèi)襯會(huì)使管道水截面積減少，通過(guò)相應(yīng)流速換算的流量就會(huì)偏小，流量測(cè)量誤差和管道截面積成正比。如忽略內(nèi)襯過(guò)厚或管壁有間隙，則會(huì)導(dǎo)致探測(cè)信號(hào)失誤，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)按實(shí)際測(cè)量，準(zhǔn)確輸入內(nèi)襯材質(zhì)、厚度。實(shí)際應(yīng)用中，管道材質(zhì)、內(nèi)襯對(duì)流量測(cè)量的影響直接反映在超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異上，若設(shè)置的材質(zhì)聲速大于實(shí)際聲速，測(cè)量結(jié)果偏大，反之則偏小。

1.4.4 流體溫度對(duì)測(cè)量誤差的影響
輸入流體溫度會(huì)影響聲速的變化，即影響換能器之間的距離，直接導(dǎo)致流量測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)可能太弱或直接找不到相應(yīng)信號(hào)。輸入不同溫度，測(cè)得結(jié)果跟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。 從表 4 可以得出，流體溫度輸入誤差較小時(shí)對(duì)流量測(cè)量影響較小，可通過(guò)溫度補(bǔ)償減小其誤差。

2 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，對(duì)于便攜式超聲波流量計(jì)的應(yīng)用，可以簡(jiǎn)化計(jì)量工作，尤其對(duì)于大口徑流量計(jì)的檢測(cè)具有簡(jiǎn)潔、方便、節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，需要工作人員較高的技術(shù)，總結(jié)自身實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)、提高應(yīng)用技能，使在線測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

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